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科學(xué)認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的通常模式,是“科學(xué)主體—科學(xué)工具—自然客體”動(dòng)態(tài)系統(tǒng).作為中介環(huán)節(jié)的科學(xué)工具,是科學(xué)發(fā)展的杠桿,因此是找尋科學(xué)進(jìn)步的內(nèi)在成因和科學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)展規(guī)律之關(guān)鍵所在。科學(xué)工具包括物質(zhì)和觀念兩種形態(tài),即實(shí)體工具和理智工具。
自然科學(xué)的明顯特點(diǎn)是實(shí)證性,使用實(shí)體工具獲取第一性資料以建立和驗(yàn)證科學(xué)理論,是科學(xué)實(shí)踐的直接目的,從而創(chuàng)造和發(fā)展科學(xué)實(shí)體工具是科學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)展的基本前提和首要條件,正如諺語(yǔ)所云:“工欲善其事,必先利其器”,“君子生非異也,善假于物也”。
科學(xué)實(shí)體工具的主要構(gòu)成是科學(xué)儀器群,按其功能特性大致可分三類:對(duì)自然客體實(shí)施發(fā)動(dòng)性控制以求在人工條件下迸發(fā)自然信息的儀器;接收自然信息的儀器;自然信息轉(zhuǎn)換、傳遞、儲(chǔ)存和處理的儀器。各對(duì)應(yīng)于人體效應(yīng)臟器、感覺(jué)臟器、神經(jīng)系統(tǒng)及中樞控制臟器(腦部)的部份功能模擬、強(qiáng)化、延伸或補(bǔ)充。科學(xué)儀器作為科學(xué)研究的“人工臟器”,是自然物的“人化”,又是人類理性的“物化”,具有趕超天然臟器生理閥值的效應(yīng),是人類伸向大自然未知王國(guó)的“認(rèn)識(shí)觸角”。
另一方面,科學(xué)儀器是一定時(shí)代科學(xué)技術(shù)知識(shí)系統(tǒng)和該時(shí)代經(jīng)濟(jì)力結(jié)合的產(chǎn)物,是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展與科學(xué)認(rèn)識(shí)進(jìn)程互動(dòng)的具體表現(xiàn),又是評(píng)判科學(xué)實(shí)踐發(fā)展和技術(shù)發(fā)展水平的尺度。因此自然科學(xué)的發(fā)展史,既是科學(xué)概念的演變史,又是科學(xué)儀器的興衰史。
科學(xué)實(shí)體工具(儀器為主)和科學(xué)邏輯程序之間,存在著內(nèi)在深刻的聯(lián)系,在科學(xué)認(rèn)識(shí)過(guò)程的不同發(fā)展階段上具有不同的作用和地位。科學(xué)儀器演進(jìn)史本身還可以看作是一種科學(xué)邏輯程序的物化和“放大”。諸如,天文觀測(cè)儀器就經(jīng)歷了三個(gè)大的發(fā)展階段,對(duì)應(yīng)于科學(xué)邏輯程序的三個(gè)環(huán)節(jié);單純觀察和檢測(cè)性儀器——分析性儀器——綜合性儀器。
中級(jí)階段中包含了低級(jí)階段的成分,低級(jí)階段中蘊(yùn)涵著中級(jí)階段的“胚芽”。第一類儀器用以發(fā)覺(jué)天體的存在,記錄它們的表現(xiàn)現(xiàn)象,檢測(cè)的通常是“幾何參里”,如托勒密三角儀、第谷墻儀、伽利略望遠(yuǎn)鏡等等;第二類儀器記錄且剖析天體的“物理熱阻”,較后者具有“由表及里”的性質(zhì),如夫朗和費(fèi)(J.)的分光鏡等等;第三類儀器如現(xiàn)代的帶有實(shí)時(shí)顯示和反應(yīng)能力的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),具有“去粗取精”的迅速選擇效應(yīng)和“人—望遠(yuǎn)鏡對(duì)話“性質(zhì)。
近代以來(lái),天文觀測(cè)儀器有三次大的改革,對(duì)應(yīng)于科學(xué)邏輯程序的三個(gè)階段性轉(zhuǎn)換,都是學(xué)科之間技術(shù)和工具移植的結(jié)果,并無(wú)一例外都成了學(xué)科內(nèi)部份化、綜合并造成巨大發(fā)展的支點(diǎn)。第一次是因?yàn)橥哥R光學(xué)技術(shù)引進(jìn),開創(chuàng)了望遠(yuǎn)鏡光學(xué)觀察的新紀(jì)元;第二次是因?yàn)榉止庑g(shù)、測(cè)光術(shù)、照相術(shù)與望遠(yuǎn)鏡結(jié)合,宣告了天體化學(xué)學(xué)誕生;第三次則因?yàn)楣怆姟⑸潆姟⒖臻g、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的引進(jìn),揭露了全波段天文學(xué)的帷幕。由此可見(jiàn),科學(xué)革命的主要特點(diǎn),是以工具(實(shí)體工具與理智工具)根本性變化為基本標(biāo)志。
“沒(méi)有科學(xué)史的科學(xué)哲學(xué)是空洞的,沒(méi)有科學(xué)哲學(xué)的科學(xué)史是盲目的。”歷史是一面穿衣鏡。闡述科學(xué)實(shí)體工具與科學(xué)邏輯程序的關(guān)系,以16—17世紀(jì)爆發(fā)的第一次科學(xué)革命為旁證,更具鮮明的典型性。以哥白尼《天體運(yùn)行論》(1543年)為帷幕,牛頓《自然哲學(xué)的物理原理》(1687年)為高潮的第一次科學(xué)革命,繼往開來(lái),給人類社會(huì)和文化發(fā)展的影響無(wú)可估量。
同時(shí),“哥白尼—牛頓”發(fā)展鏈顯示了同科學(xué)認(rèn)識(shí)的邏輯程序通常模式的驚人一致。哥白尼范式(綱領(lǐng)性假說(shuō))——第谷的直接觀察和檢測(cè)(古典儀器)——開普勒經(jīng)驗(yàn)性定理——伽利略等人間接觀察和檢測(cè)(光學(xué)儀器)——牛頓公理化詮釋體系,這根歷史鏈條可簡(jiǎn)略看作科學(xué)發(fā)覺(jué)的通常邏輯,即認(rèn)識(shí)“螺旋”上的“圓圈”的辨證運(yùn)動(dòng):“——假說(shuō)(綱領(lǐng)性)——經(jīng)驗(yàn)反省——唯象性理論——經(jīng)驗(yàn)再反省——系統(tǒng)化理論——”。
因而清晰地彰顯了科學(xué)史和科學(xué)邏輯的辨證統(tǒng)一。本文通過(guò)科學(xué)儀器的歷史考察,同時(shí)嘗試闡明科學(xué)實(shí)體工具在科學(xué)認(rèn)識(shí)的邏輯程序各階段的不同作用與地位,闡明二者之間復(fù)雜關(guān)系的個(gè)別規(guī)律。
哥白尼綱領(lǐng)性假說(shuō)階段:科學(xué)儀器與新范式確立
自然科學(xué)的發(fā)展方式是假說(shuō)。科學(xué)發(fā)展過(guò)程,就是假說(shuō)不斷形成、發(fā)展、競(jìng)爭(zhēng)和更迭過(guò)程。假說(shuō)形成的成因,可以是直接的經(jīng)驗(yàn)性事實(shí)發(fā)覺(jué),也可以是對(duì)舊范式舊理論的概念反省。哥白尼(1473—1543)假說(shuō)的提出,即屬后一種。隨著科學(xué)深入發(fā)展,哥白尼式理論發(fā)覺(jué)模式越為普遍,這是創(chuàng)造性思維能動(dòng)作用強(qiáng)化的反映。
但無(wú)論怎樣,尊重經(jīng)驗(yàn)事實(shí),盡可能借助實(shí)體工具搜集新材料,仍是基本要求。哥白尼學(xué)說(shuō)是關(guān)于天文學(xué)基本理論和整個(gè)宇宙圖景的更換,是科學(xué)范式或科學(xué)綱領(lǐng)的根本性改革,就此而言,實(shí)體工具改革與否在這一階段并無(wú)決定性意義,恰恰相反,范式工具的改革成為實(shí)體工具改革的先導(dǎo)。
日心地動(dòng)假說(shuō)在當(dāng)時(shí)得不到裁定性的事實(shí)發(fā)覺(jué)的支持,能發(fā)覺(jué)星體視差的觀測(cè)技術(shù)還得等上三百年,連F.培都根抨擊哥白尼毋須要地違背了我們感官的提示。有的科學(xué)史家覺(jué)得,就觀測(cè)的精度和性質(zhì)而言,哥白尼專著折衷地說(shuō)是基于中世紀(jì)的,許多方面來(lái)自托勒密;還覺(jué)得他不是一位天文觀測(cè)家,其專著是一部自然哲學(xué)和完全是技術(shù)性的物理專著。
事實(shí)上,哥白尼學(xué)說(shuō)所追求的簡(jiǎn)單性原則是同尊重事實(shí)相一致的,他依然必須通過(guò)天體表觀運(yùn)動(dòng)去推斷其現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)。首先,他充分借助了托勒密以來(lái)的大量觀測(cè)資料;其次,他用中世紀(jì)極為狹小的天文儀器在修道院城墻上渡過(guò)了他自謂的“四個(gè)‘九年’”的觀測(cè)春秋。儀器大部份是自制的,其中有一架歷時(shí)8公尺的巨型“托勒密尺”。
其實(shí)在《天體運(yùn)行論》里僅27次提及自己的新資料,但在定量上較托勒密尚有發(fā)展,比如,他測(cè)定了更為精確的行星軌道周期,并據(jù)此確定離太陽(yáng)的排列順序,首次推得行星軌道相對(duì)直徑,除木星偏差稍黑大,其余同現(xiàn)代測(cè)值相當(dāng)接近。因而為定量確立太陽(yáng)系概念邁出決定性一步;據(jù)悉,為了尊重新的觀測(cè)資料,他不得不把太陽(yáng)放在新宇宙體系的中心附近,而以幾何點(diǎn)來(lái)代替其高貴的“王位交椅”。其實(shí),他反反復(fù)復(fù)用間接的事實(shí)證據(jù)與新假說(shuō)加以對(duì)比,因而開普勒說(shuō)他這樣做時(shí)“就象一個(gè)盲人利用手杖來(lái)保證行進(jìn)一樣。”
科學(xué)假說(shuō)是科學(xué)性與假定性的統(tǒng)一,因此同迷信、幻想和神話有本質(zhì)區(qū)別,其科學(xué)性是以已知的事實(shí)發(fā)覺(jué)和己被確證的科學(xué)原理、邏輯規(guī)則為基礎(chǔ)的。雖然如哥自尼式的綱領(lǐng)性假說(shuō),亦正如有經(jīng)驗(yàn)反省直接造成的經(jīng)驗(yàn)型、事實(shí)型假說(shuō)一樣,難以去除科學(xué)實(shí)體工具這根“拐杖”來(lái)在黑暗中探路。在新范式確立過(guò)程中,只要有可能,研究者是絕不會(huì)忽略科學(xué)儀器的作用的,即使儀器是何等落后而陳舊,由于破的槳比沒(méi)有槳好,漏的樓頂總比沒(méi)有屋頂好。
第谷傳統(tǒng)觀測(cè)階段與開普勒經(jīng)驗(yàn)定理階段:科學(xué)儀器與經(jīng)驗(yàn)反省;“反常”發(fā)現(xiàn)
當(dāng)不同的假說(shuō)處于僵持、競(jìng)爭(zhēng)的僵持局面下,合乎邏輯地會(huì)有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)反省階段到來(lái)。第谷·布拉赫(1546—1601)就處于這樣階段。實(shí)體工具在這一階段主要作用,是系統(tǒng)地積累更大量更精確更可靠的經(jīng)驗(yàn)資料和數(shù)據(jù),做出重大的事實(shí)發(fā)覺(jué),為進(jìn)一步的理論驗(yàn)證(確證或指責(zé))、理論發(fā)覺(jué)和理論發(fā)展創(chuàng)造條件。
因此,實(shí)體工具的變革是經(jīng)驗(yàn)反省階段的中心問(wèn)題。在科學(xué)史上,第谷階段以描述天體視位置和視運(yùn)動(dòng)的定位性觀測(cè)為特點(diǎn);在科學(xué)邏輯中,“第谷階段”以經(jīng)驗(yàn)積累和檢驗(yàn)為特點(diǎn)。其中有特殊意義的是“反常”發(fā)現(xiàn)。“反常”有可能導(dǎo)致常規(guī)科學(xué)的危機(jī)而造成科學(xué)革命。但使用科學(xué)儀器的經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)本身存在固有的內(nèi)部矛盾,觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)對(duì)理論的作用表現(xiàn)為裁定性效應(yīng)和常年性效應(yīng)的矛盾,因此經(jīng)驗(yàn)事實(shí)可使觀念飛越也可使理性欺騙,關(guān)鍵在于是否有正確的理論指導(dǎo)和是否擁有敏銳的科學(xué)鑒賞力。
第谷是望遠(yuǎn)鏡發(fā)明前觀測(cè)天文學(xué)的登峰造極者。他全面改進(jìn)和創(chuàng)制古典儀器,在技術(shù)和技巧上頗具獨(dú)創(chuàng)性,并不因循迂腐。第谷的觀測(cè)度幾乎達(dá)到肉眼許可的極限,從伊巴谷(公元前二世紀(jì))以來(lái)的幾乎每一重要的天文數(shù)據(jù),他都審慎地重新測(cè)定和普遍修正,使荒蕪了千余年的法國(guó)古典方位天文學(xué)出現(xiàn)一派蓬勃生機(jī)。
第谷受德國(guó)王贊助在汶島創(chuàng)建了“觀天堡”和“星堡”兩座天文臺(tái),是近代法國(guó)第一個(gè)科學(xué)中心,其規(guī)模之宏大、儀器之精湛、設(shè)備之齊全、裝璜之奢華,舉世罕見(jiàn)。第谷觀測(cè)的最大特征是常年性、系統(tǒng)性、重復(fù)性、嚴(yán)密性和協(xié)作性;其設(shè)計(jì)的儀器的特征是:巨型化、多樣化、精密化、新穎化。
發(fā)明先進(jìn)的“虛線分弧法”()使儀器刻度細(xì)分至秒,測(cè)定天體地平經(jīng)度時(shí)精度達(dá)1/6分,而托勒密的精度未曾超過(guò)±6分。在此基礎(chǔ)上,第谷編制了第一份完整的近代星表,內(nèi)含1000顆星(包括大量暗弱星),其平均偏差同現(xiàn)代測(cè)值相比約為1',可謂是肉眼觀測(cè)極限。因?yàn)樽⒅貙?shí)體工具和經(jīng)驗(yàn)觀測(cè)的結(jié)果,必然會(huì)導(dǎo)致觀念上的重大發(fā)展。
在同傳統(tǒng)觀念挑戰(zhàn)方面,第谷有三大貢獻(xiàn):測(cè)定1572年在仙后排里出現(xiàn)的新見(jiàn)星是一顆新星體(即第谷超新星),第一次沖破了“恒星天球?qū)印辈蛔冋摰钠?jiàn);測(cè)定1577年大慧星能穿越所謂的“行星品瑩天球?qū)印?首次證明慧星是繞日運(yùn)行的天體,并有力駁斥了行星天球的固態(tài)性;繼哥白尼以后更精確地測(cè)定出游星(除月球外)確實(shí)繞日運(yùn)行,而非托勒密所說(shuō)繞地運(yùn)行。
可見(jiàn),實(shí)體工具的實(shí)踐過(guò)程,不單單是資料上量的積累,在一定時(shí)期會(huì)導(dǎo)致個(gè)別觀念質(zhì)的飛越。但經(jīng)驗(yàn)本身是一把雙面刃,可使觀念飛越,也會(huì)在缺少正確的理智工具指引時(shí)使理性迷途。因?yàn)楸瘧懹谛录s而又囿于經(jīng)驗(yàn),第谷總算“霧失樓臺(tái),月迷津渡”,提出一個(gè)折中的宇宙體系,亦未能總結(jié)出游星運(yùn)動(dòng)規(guī)律。開普勒說(shuō)第谷是個(gè)富豪,但不知怎么正確使用他的財(cái)富。
開普勒(1571—1630)經(jīng)驗(yàn)定理階段是第谷觀測(cè)階段合乎邏輯的發(fā)展。在積累了大量感性經(jīng)驗(yàn)資料以后,驟然而至的必然是概括成唯象性理論或驗(yàn)定理階段,而“反常”性發(fā)覺(jué)常常成為新理論產(chǎn)生的直接觸發(fā)點(diǎn)。第谷留給開普勒歷時(shí)30年的第一手觀測(cè)資料和重視經(jīng)驗(yàn)的忠告,使開普勒的“宇宙諧和”思想獲得堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),因而才有行星運(yùn)動(dòng)三定理的發(fā)覺(jué)。尤其是知名的橢圓軌道定理發(fā)覺(jué),號(hào)稱科學(xué)史上壯舉,充分說(shuō)明隨著實(shí)體工具改進(jìn)、觀測(cè)精度增強(qiáng),量的“反常”對(duì)造成理論突破有何等意味深長(zhǎng)含意。
不放過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論推測(cè)之間趕超許可的偏差,常常會(huì)有驚人的理論發(fā)覺(jué)。庫(kù)恩精辟?gòu)?qiáng)調(diào),技術(shù)發(fā)展使“質(zhì)的反常”過(guò)渡到“量的反常”,而在“不可防止的科學(xué)危機(jī)的產(chǎn)生中,量的反常的效能小于質(zhì)的反常的效能。”當(dāng)火星的傳統(tǒng)圓軌道理論測(cè)算值與第谷觀測(cè)值發(fā)生微小的量的差別時(shí),因?yàn)殚_普勒這么相信第谷的觀測(cè)精度,因而為了忠于事實(shí)而不惜叛逆原有的傳統(tǒng)理論,最后拋棄了連哥白尼都深信不移的神圣的“天體圓軌道。”
開普勒在《新天文學(xué)》(Nova……)里激動(dòng)地說(shuō)道:“神明的上帝賜予我們以這么精于觀測(cè)的第谷,按照他的觀測(cè)資料在估算中出現(xiàn)了8'的偏差……。我們應(yīng)懷著無(wú)限感激之情去接受上帝恩賜的這一贈(zèng)品,……如果我把8'的黃經(jīng)之差看成微不足道的話,我本不會(huì)有效地更改這一假說(shuō),……單單這8'之差就開辟了通向整個(gè)天文學(xué)改革的公路。”[8]歷史詭辯地說(shuō)明:“在沖突的場(chǎng)合,檢測(cè)將是常勝將軍。”
由此可以非常清晰地看出:實(shí)體工具的不斷改善在一定時(shí)侯將為理論發(fā)覺(jué)提供最有利的物質(zhì)條件。但另一方面,要從科學(xué)研究的正常過(guò)程中看出“反常”跡象的鴻爪蛛絲,捕捉它并“破譯”其中的“密碼”,這只有科學(xué)能力(包括社會(huì)和個(gè)體)發(fā)展到一定階段才有可能,它要求實(shí)體工具的精密度和反應(yīng)性大大增強(qiáng);理智工具處理經(jīng)驗(yàn)材料的能力大大加大;據(jù)悉,還須要研究者慧眼頗具,明察“秋毫”,正如英國(guó)雕像家羅丹所說(shuō),所謂大師,就是要能在人們司空見(jiàn)慣、習(xí)以為常的事物中發(fā)覺(jué)出“美”來(lái)。
伽利略間接觀察階段:科學(xué)儀器的劃時(shí)代變遷
B.巴伯強(qiáng)調(diào):“當(dāng)工具獨(dú)立發(fā)展到一定程度時(shí),有時(shí)可以在整個(gè)學(xué)科或分支學(xué)科的發(fā)展中起主導(dǎo)作用,比如望遠(yuǎn)鏡或計(jì)算機(jī)的情況就是這么。”H.C.King甚至說(shuō):“儀器改進(jìn)比通過(guò)儀器所獲得的發(fā)覺(jué)應(yīng)遭到更大注意。……鍍銀工藝的引進(jìn)甚至比例如海王星的發(fā)覺(jué)遠(yuǎn)為重要。”望遠(yuǎn)鏡在17世紀(jì)天文觀測(cè)上的應(yīng)用是科學(xué)史上的偉大風(fēng)波,天文學(xué)實(shí)體工具發(fā)展中的劃時(shí)代轉(zhuǎn)折。
它以無(wú)可辯駁的事實(shí)說(shuō)明:一種重要新工具的發(fā)明和引進(jìn),常常會(huì)改變科學(xué)發(fā)展常規(guī)進(jìn)程,使之獲得前所未有的偉力,甚至?xí)_創(chuàng)一個(gè)新時(shí)代;而科學(xué)發(fā)展的急切要求是引進(jìn)新工具新技術(shù)的原動(dòng)力。
伽利略(1564—1642)不是望遠(yuǎn)鏡的最早發(fā)明者,也不是第一個(gè)將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天空的人,但惟有他,在傳言促動(dòng)下,如他本人所說(shuō),“不是靠碰運(yùn)氣,而是靠純理智的途徑”,即通過(guò)對(duì)折射理論的深入研究而制成天文望遠(yuǎn)鏡,并理解天文新發(fā)覺(jué)的全部理論意義。
他的《星際使者》(1610年)無(wú)愧是科學(xué)史上的一塊壯麗的壯歌,向世人披露了望遠(yuǎn)鏡觀察的首批成果——五大發(fā)覺(jué):月面陡峭不平;星體無(wú)限多,并發(fā)覺(jué)昂星團(tuán);銀河由無(wú)數(shù)星體集團(tuán)聚集而成;發(fā)覺(jué)四個(gè)木衛(wèi);在望遠(yuǎn)鏡視界中行星有圓面,面星體無(wú)圓面但色溫減小。
1610年末,又發(fā)覺(jué)金星有位相盈虧;1611年夏,觀察太陽(yáng)黑子。即使伽利略1608年研發(fā)的第一架天文望遠(yuǎn)鏡僅放大9倍,而用以發(fā)覺(jué)木衛(wèi)的第四架,其性能還不如現(xiàn)代觀劇用的44mm雙目望遠(yuǎn)鏡,但正是這種狹小而新穎的工具,第一次突破人類視覺(jué)的天然極限,開拓了探求宇宙的寬廣領(lǐng)域。
科學(xué)史家評(píng)論說(shuō):哥倫布發(fā)覺(jué)了新臺(tái)灣,伽利略發(fā)覺(jué)了新宇宙。以伽利略為標(biāo)志,天文學(xué)觀測(cè)史掀開了輝煌的新一頁(yè):以肉眼為惟一的偵測(cè)器,輔以量角器為主的幾何檢測(cè)儀獨(dú)步天文觀測(cè)的時(shí)代終結(jié)了,自此確立了光學(xué)儀器的主導(dǎo)地位。與之相應(yīng),促使加速了幾何化天文學(xué)向物理化天文學(xué)轉(zhuǎn)變的歷史進(jìn)程。R.Hall強(qiáng)調(diào):“物理的天文學(xué)是望遠(yuǎn)鏡的產(chǎn)物。
“望遠(yuǎn)鏡發(fā)覺(jué)似乎沒(méi)有直接導(dǎo)向天體力學(xué)理論發(fā)覺(jué),但仍以其形態(tài)性觀察而導(dǎo)出實(shí)體的太陽(yáng)系觀念,因而為天體熱學(xué)誕生提供寬廣背景。使用實(shí)體工具,有著直接現(xiàn)實(shí)性和普遍性品格。正如伽利略所說(shuō)的,這一“人工擴(kuò)大的視力”,“使哲學(xué)家困惑了這么長(zhǎng)久的全部爭(zhēng)辯,在我們嘴巴的不可辯駁的證據(jù)面前迎刃而解。”
沉重嚴(yán)打了亞里士多德宇宙學(xué)和托勒密地心說(shuō)體系,大大推動(dòng)了哥白尼學(xué)說(shuō)的迅速傳播。但新發(fā)覺(jué)也并非煮熟了的果子,只要輕搖枝條即可唾手而得。面對(duì)傳統(tǒng)勢(shì)力的喧鬧和低劣玻片捏造了的星象,新發(fā)覺(jué)同時(shí)也是以哥白尼范式進(jìn)行思索和推理的結(jié)果。并非有耳朵就可接受客觀事實(shí)。
當(dāng)伽利略將新發(fā)覺(jué)公之于世后,掀起了一場(chǎng)軒然大波,經(jīng)院學(xué)者覺(jué)得黑子在眼里而不在太陽(yáng)上,教會(huì)引用《馬太福音》中的一句話宣布望遠(yuǎn)鏡是“魔鬼的玩藝兒”,不一而足。并且,被低劣透鏡的象差和色差嚴(yán)重丑化了的成像,假如沒(méi)有正確的理智剖析和判定,感官也可能被騙。正是在這種意義上,G.說(shuō)得對(duì):“思想給了我們眼晴。”
牛頓公理化體系階段:科學(xué)儀器的精密化與詮釋性定理
經(jīng)驗(yàn)性定理的開普勒階段,在一定條件下向詮釋性定理的牛頓(1642—1727)階段上升。固然,詮釋性定理并非實(shí)體工具活動(dòng)所直接造成,但其驗(yàn)證和發(fā)展卻必須仰賴于前者,其影響的程度,決定于實(shí)體工具的精密化程度。在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以后的半個(gè)世紀(jì)里,其累累碩果基本屬于定性的新穎性而非定量的精確性,因此對(duì)定量理論影響不大。
17世紀(jì)望遠(yuǎn)鏡定量化歷程,以W.(1612—1644)為先驅(qū),1659年C.(1629—1695)首次公布物鏡測(cè)微器發(fā)明為轉(zhuǎn)折,J.(1620—1682)和A.(1622—1691)全面定量化為成熟,而以J.(1646—1719)為最高成就。望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)首次直接造成重大理論發(fā)覺(jué),是其問(wèn)世120年后(1693—1762)光行差理論的構(gòu)建。但現(xiàn)有證據(jù)表明,望遠(yuǎn)鏡定量化對(duì)“牛頓革命”進(jìn)程有直接影響。
J.用定量化望遠(yuǎn)鏡測(cè)定空前精確的月球子午線1°值,對(duì)牛頓初期的關(guān)于力的平方正比律設(shè)想起到檢驗(yàn)作用,因而推動(dòng)了牛頓對(duì)笛卡兒范式的叛逆,向天體力學(xué)理論大踏步前進(jìn)。1667年,J.首次在望遠(yuǎn)鏡上應(yīng)用叉絲;并在A.和Romer協(xié)助下實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡、測(cè)微器和古典儀器的“三結(jié)合”;還首次在天文學(xué)檢測(cè)中使用擺鐘,其精確度在當(dāng)時(shí)首屆一指,2個(gè)月僅差1分鐘,大大提升了測(cè)定恒量方位的精度。那些都為進(jìn)一步提升望遠(yuǎn)鏡定量化精度創(chuàng)造了條件。
關(guān)于萬(wàn)有引力理論的確立時(shí)期,牛頓在1715—1718年間寫的備忘錄(見(jiàn)于收藏)宣稱:于1665年其假說(shuō)已朋友實(shí)驗(yàn)證“幾乎完美相符”。奇怪的是為什么擱置21年后才發(fā)表?仍然是個(gè)謎。流行見(jiàn)解仍然是相信牛頓備忘錄的權(quán)威性。但據(jù)現(xiàn)今所查,牛頓于1686年6月致信中卻言:曾經(jīng)估算仍然“未能足夠精確。”[17]也許前后矛盾。對(duì)牛頓備忘錄擬應(yīng)保留想法,因當(dāng)初他被角逐發(fā)明優(yōu)先權(quán)的糾紛所摧殘,很可能如阿貝爾評(píng)高斯所說(shuō)那樣,象只兔子,經(jīng)常用尾巴掃掉身旁的足跡。
事實(shí)上,邏輯地看,1665—1666年間牛頓在笛卡兒范式下根本不可能產(chǎn)生萬(wàn)有引力概念,但當(dāng)時(shí)確已推得行星對(duì)太陽(yáng)“離心勢(shì)”(a)同距離平方成正比,并提出知名的“月-地檢驗(yàn)。”據(jù)牛頓的同事W.于1694年、H.于1728年追憶,都提到牛頓親口談過(guò)“首次檢驗(yàn)”一事。那時(shí)他取月球表面的大圓1°值為60法定英里(Eng.St.mi;合69.5英里),按照這一簡(jiǎn)略檢測(cè)值估算,結(jié)果,“在一定程度上令他沮喪,由于同假定月球重力單獨(dú)作用于地球的理論值不完全一致,這使牛頓誤以為使地球禁錮在軌道上的力量,‘部分是重力的力量,部份是笛卡兒漩渦的力量。’他把估算的論文束之高閣,著手其他研究。”兩人的追憶基本一致。
這種史籍的可靠性更大。由于據(jù)現(xiàn)代發(fā)覺(jué)的牛頓一份無(wú)標(biāo)題原稿(寫于1667或1668年)[16]可知,牛頓當(dāng)時(shí)取的月球直徑為3499.9日本里(1意里=5000公尺),得到月球赤道表面重力比地球離地心而減緩的“離心勢(shì)”大4375倍,而按平方正比律假說(shuō)得到的理論值應(yīng)只大3600倍,三者竟差21.5%。這樣大的偏差對(duì)崇尚“實(shí)驗(yàn)哲學(xué)”的牛頓來(lái)說(shuō)其實(shí)是難以接受的。因此印證了牛頓給信所言屬實(shí)。
據(jù)史籍,1671年,J.首次發(fā)表了在倫敦附近用定量化望遠(yuǎn)鏡所測(cè)得的月球子午線觀測(cè)值,1°=69.096法定英里,該值精度在數(shù)碼之內(nèi)。其成果于1675年、1676年連續(xù)二次載子西班牙皇家學(xué)會(huì)季刊《哲學(xué)學(xué)報(bào)》上,立即引發(fā)注目。稍后,牛頓正是按照這一空前精確的測(cè)值重新作了測(cè)算,證明了平方正比律的可靠性,才一舉解決了擱置多年的“月—地檢驗(yàn)”,使理論發(fā)展出現(xiàn)重大突破,加速了牛頓從笛卡兒漩渦假說(shuō)的舊范式走向萬(wàn)有引力發(fā)覺(jué)的腳步。有鑒于此,牛頓后來(lái)直接將該值以倫敦尺(Parisfeet)為單位引用到《自然哲學(xué)的物理原理》第三篇第4命題中去,他寫道:“結(jié)論:保持地球于其軌道上的力是與我們一般稱之為重力的力完全是同一種力。”
這個(gè)事例從正反兩方面最生動(dòng)地說(shuō)明:儀器的精密化程度對(duì)理論檢驗(yàn)和發(fā)展具有何等重大意義。科學(xué)理論的生存和發(fā)展,常常會(huì)因一個(gè)關(guān)鍵性經(jīng)驗(yàn)數(shù)值而改觀,或被否證或被確證。或被純化或被更改,甚至還有可能被錯(cuò)誤的或精度不夠的數(shù)值所欺騙而遭一時(shí)的“冤案”。固然,理論并非如K.所夸大的那樣脆弱,只要一個(gè)經(jīng)驗(yàn)證據(jù)即可“證偽”而被推翻。事實(shí)上,理論甚或如I.所說(shuō)的,是富于彈性的。只要“硬核”還在,它仍可以不斷進(jìn)行修復(fù),或暫時(shí)擱置上去,以圖東山再起。由此可見(jiàn),實(shí)體工具對(duì)理論的檢驗(yàn)和發(fā)展的影響舉足輕重,尤其是儀器精密化程度的改善,是提升實(shí)踐檢驗(yàn)力的關(guān)鍵所在。
通過(guò)對(duì)“哥白尼-牛頓”發(fā)展鏈和環(huán)的歷史考察,可以同時(shí)理解實(shí)體工具在歷史和邏輯的不同階段上的作用和地位,以及實(shí)體工具與理智工具之間互動(dòng)的張力。當(dāng)對(duì)舊理論進(jìn)行反省而須要提出更合理更自洽的競(jìng)爭(zhēng)理論;或當(dāng)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)大量積累非常是發(fā)覺(jué)“反常”現(xiàn)象需加以整理、分析和解釋時(shí);或須要闡明經(jīng)驗(yàn)定理中更深層涵義時(shí),理智工具的發(fā)展便成了主要問(wèn)題,并獲得最大的推進(jìn)力,如哥白尼階段、開普勒階段、牛頓階段便是。
當(dāng)社會(huì)生活實(shí)際須要;或新的假說(shuō)須要經(jīng)驗(yàn)確證而向觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)提出各類定性、定量的技術(shù)要求時(shí),實(shí)體工具的發(fā)展便是當(dāng)務(wù)之急,并同樣獲得最大的推進(jìn)力,如第谷階段、伽利略階段便是。因此,科學(xué)沿著時(shí)軸方向以“——假說(shuō)——觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)——假說(shuō)——再觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)——”認(rèn)識(shí)螺旋上升過(guò)程,同時(shí)也是實(shí)體工具和理智工具發(fā)展的重心不轉(zhuǎn)換過(guò)程,以及三者之間所展開的復(fù)雜交互作用過(guò)程,因而充分顯示了科學(xué)工具的社會(huì)-歷史性和邏輯程序性。
《荀子:《荀子·勸學(xué)篇》》
《天文學(xué)史》
《科學(xué)社會(huì)學(xué)》
《物理科學(xué)的概念和理論概論》